Szenzorhálózatok Fizikai réteg ( ) Vidács Attila Távközlési és Médiainformatikai Tanszék I.B.228, T:19-25,

Hasonló dokumentumok
Szenzorhálózatok és alkalmazásaik. Bevezetés

Szenzorhálózatok és alkalmazásaik. WSN bevezető. Fizikai réteg.

Szenzorhálózatok Fizikai és adatkapcsolati réteg ( )

Szenzorhálózatok III.

IoT rendszerek kommunikációs megoldásai vitmav22

Zigbee: vezeték nélküli komplex szenzorhálózatok gyorsan, olcsón, hatékonyan

Kommunikációs rendszerek programozása. Wireless LAN hálózatok (WLAN)

Számítógép hálózatok gyakorlat

Szenzorkommunikációs lehetőségek az IoT világában. Dr. Fehér Gábor BME Távközlési és Médiainformatikai Egyetem

OFDM technológia és néhány megvalósítás Alvarion berendezésekben

1. A vezeték nélküli hálózatok rádiós szabályozása

Kábel nélküli hálózatok. Agrárinformatikai Nyári Egyetem Gödöllő 2004

Vezeték nélküli helyi hálózatok

Alacsony fogyasztású IoT rádiós technológiák

Mobil kommunikáció /A mobil hálózat/ /elektronikus oktatási segédlet/ v3.0

RFID rendszer felépítése

UWB. Bevezetés Elmélet Alkalmazások

Időjárásállomás külső érzékelőjétől érkező rádiójel feldolgozása

COMPEX WLM200NX n a/b/g dual-band vezetéknélküli minipci modul

BWA Broadband Wireless Access - szélessávú vezetéknélküli hozzáférés

2011. május 19., Budapest UWB ÁTTEKINTÉS

Wireless technológiák Meretei Balázs

Vezetéknélküli Érzékelő Hálózatok

Szenzorhálózatok Adatkapcsolati réteg ( ) Vidács Attila Távközlési és Médiainformatikai Tanszék I.B.228, T:19-25,

Tartalom Iparági kérdések A rendszer kialakítás kérdései Felhasználói vonatkozások A ZigBee technológia ismertetése A ZigBee technológia alkalmazása T

Szenzorhálózatok LEACH esettanulmány ( ) Vidács Attila Távközlési és Médiainformatikai Tanszék I.B.325, T:19-25,

Szenzorhálózatok Szenzor MAC ( ) Vidács Attila Távközlési és Médiainformatikai Tanszék I.B.228, T:19-25,

Irányítástechnika fejlődési irányai

pacitási kihívások a mikrohullámú gerinc- és lhordó-hálózatokban nkó Krisztián

2. előadás. Radio Frequency IDentification (RFID)

Hálózati réteg. WSN topológia. Útvonalválasztás.

Infokommunikáció ISM sávon

Elektronika Előadás. Modulátorok, demodulátorok, lock-in erősítők

Adatátviteli eszközök

Számítógépes hálózatok

vitmma09 Szenzorhálózatok és alkalmazásaik

Szenzorhálózatok és alkalmazásaik. Adatkapcsolati réteg. MAC megoldások.

A Zigbee technológia

Frekvencia tartományok. Számítógépes Hálózatok és Internet Eszközök. Frekvencia tartományok rádió kommunikációhoz

MERRE TART A HFC. Koós Attila Gábor, Veres Zoltán , Balatonalmádi

Intelligens és összetett szenzorok

KÖFOP VEKOP A jó kormányzást megalapozó közszolgálat-fejlesztés

Vezetéknélküli átvitelben használt modulációs eljárások

Az IEEE szabványcsalád. Dr. Fazekas Péter Balogh András BME-HIT

Benkovics László ZTE Hungary K:

Wi-Fi technológia a műtőben

Helymeghatározási alapelvek és módszerek

Bevezetés. Számítógép-hálózatok. Dr. Lencse Gábor. egyetemi docens Széchenyi István Egyetem, Távközlési Tanszék

Wireless hálózatépítés alapismeretei

RFID-val támogatott eszközleltár

Analóg-digitális átalakítás. Rencz Márta/ Ress S. Elektronikus Eszközök Tanszék

Wireless M-Bus, C mód modul MULTICAL 402 fogyasztásmérőkhöz Adatlap

Alapsáv és szélessáv. Számítógépes Hálózatok Amplitúdó-moduláció. Szélessáv

Hálózatok. Alapismeretek. A hálózatok célja, építőelemei, alapfogalmak

Számítógépes Hálózatok 2010

Szenzorhálózatok Szenzor MAC (folyt.), Hálózati réteg, topológia, útvonalválasztás ( )

Az Internet jövője Internet of Things

BWA- Broadband Wireless Accessszélessávú vezetéknélküli hozzáférés

Hálózati architektúrák és rendszerek. 4G vagy B3G : újgenerációs mobil kommunikáció a 3G után

Az LTE. és a HSPA lehetőségei. Cser Gábor Magyar Telekom/Rádiós hozzáférés tervezési ágazat

A Li-Fi technológia. Bagoly Zsolt. Debreceni Egyetem Informatika Kar február 13.

Tájékoztató. Értékelés. 100% = 100 pont A VIZSGAFELADAT MEGOLDÁSÁRA JAVASOLT %-OS EREDMÉNY: EBBEN A VIZSGARÉSZBEN A VIZSGAFELADAT ARÁNYA 40%.

Az Európai Unió Hivatalos Lapja L 151/49 BIZOTTSÁG

Az RFID technológia bemutatása

Click to edit Master title style

Infokommunikáció a közlekedésben (VITMJV27)

MAC címek (fizikai címek)

MŰSZAKI LEÍRÁS Az I. részhez

DOCSIS és MOBIL békés egymás mellett élése Putz József Kábel Konvergencia Konferencia 2018.

RFP-RFM. Procontrol RFP-RFM. Rádiótransceiver/ kontroller 433 vagy 868 MHz-re, SMA antenna csatlakozóval. Műszaki adatlap. Verzió:

Programozó- készülék Kezelőkozol RT óra (pl. PC) Digitális bemenetek ROM memória Digitális kimenetek RAM memória Analóg bemenet Analóg kimenet

SZIPorkázó optikai hálózatok telepítési és átadás-átvételi mérései

DMS 70. Digitális Vezetéknélküli Mikrofonrendszer. Digitális Vezetéknélküli Mikrofonrendszer

Számítógépes hálózatok

IoT cunami. Technológiai szökőár vagy harc az infrastruktúra szolgáltatásért?

Távközlő hálózatok és szolgáltatások IP hálózatok elérése távközlő és kábel-tv hálózatokon

T E R M É K T Á J É K O Z TAT Ó

Az optika és a kábeltv versenye a szélessávban. Előadó: Putz József

Száguldó versenyautók // Száguldó Gigabitek. Telekommunikációs és információtechnológia Hungaroring + Invitel

Internet of Things 2

Számítógépes Hálózatok és Internet Eszközök

Járműinformatika Multimédiás buszrendszerek (MOST, D2B és Bluetooth) 4. Óra

Hálózatok esszé RFID A rádiófrekvenciás azonosító rendszerek. Gacsályi Bertalan (GABMAAT.SZE)

WLAN lefedettségi terv készítés - Site Survey

Vezeték nélküli hálózat tervezése és méréstechnikája Ekahau Wi-Fi mérések

AGSMHÁLÓZATA TOVÁBBFEJLESZTÉSE A NAGYOBB

Frekvenciagazdálkodás és ami mögötte van

Rádiófrekvenciás azonosítás RFID, NFC, PAYPASS

Akusztikus MEMS szenzor vizsgálata. Sós Bence JB2BP7

WiFi hálózatok üzemeltetése

Használati útmutató. Autós CB rádió PNI Escort HP 9001

Nagyfrekvenciás rendszerek elektronikája házi feladat

Szenzorhálózatok. MITMÓT hardver bemutatása. Orosz György

Új szélessávú kommunikációs közeg: az erősáramú tápvezeték

Az azonosító a rádióhullám mezőben felhasználva annak energiáját válaszol az olvasó parancsainak

Építsünk együtt nyílt LoRaWAN hálózatot! HA5DI Béla és HA5PT Tamás 2016 november 12.

2011. május 19., Budapest BLUETOOTH HÁLÓZAT

A 450 MHZ-es frekvencia és a kormányzati hálózatok fejlesztésének kapcsolódásai

MEMS eszközök redukált rendű modellezése a Smart Systems Integration mesterképzésben Dr. Ender Ferenc

Mérés és adatgyűjtés

Átírás:

Szenzorhálózatok Fizikai réteg (2007.03.08) Vidács Attila Távközlési és Médiainformatikai Tanszék I.B.228, T:19-25, vidacs@tmit.bme.hu

A fizikai réteg Fizikai réteg: Azok az eszközök és eljárások, mely az adatok átviteléhez, az adatkapcsolati entitások közti fizikai összeköttetés létrehozásához, fenntartásához, és bontásához szükségesek. Cross-layer design ISO OSI alkalmazási réteg megjelenítési réteg viszony réteg szállítási réteg hálózati réteg adatkapcsolati réteg fizikai réteg

Jellemzők és követelmények Tipikusan nagyon kis átvitt adatmennyiség. néhány bit/nap Inkább kisebb átviteli sebesség és nagyobb késleltetés az alacsonyabb árért és hoszabb élettartamért cserébe. Pl: Egy (vagy több) év üzemidő 750 mah AAA elemmel Univerzális (globális), licensz nélküli üzemeltethetőség. Nagyban limitálja a lehetséges frekvenciasávot és modulációt

Példák a fizikai rétegre Szenzorhálózatokban a kommunikáció történhet elektromágneses (RF, IR) vagy akusztikus úton. Létező rádiófrekvenciás (RF) megoldások: Bluetooth IEEE 802.11b Speciális WSN megoldások PicoRadio WINS μamps

Bluetooth WPAN (Wireless Personal Area Network) megoldás 2.4 GHz ISM sáv 1 MBaud bináris GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) frekvenciaugratásos szórt spektrumú (FHSS), 1600 ugrás/mp, 79 db 1-MHz-es csatorna (USA-ban) Problémák WSN alkalmazásnál: A hálózatfelderítés FHSS esetében hosszadalmas, mert a node-ok aszinkron működésűek. A viszonylag keskenysávú (1MHz) modulácó miatt a csatornaszűrő megvalósítása bonyolult és költséges. (Az alacsony-frekvenciás áramköri elemek nagy mérete és a nagy kapacitorok, valamint a nagy warm-up periódus miatt.) A közeli csatornák szétválasztása is bonyolult.

IEEE 802.11b WLAN (Wireless LAN) szabvány 2.4 2.5 GHz ISM sáv 14 db 22 MHz-es átlapolódó csatorna, 5 MHz-enként (USA-ban csak az első 11 használható) 802.11 szabvány három 1 Mb/s (ill. 2 Mb/s) fizikai réteg opciót definiál: infravörös (IR) frekvenciaugratásos szórt spektrumú (FHSS) direkt szekvenciális szórt spektrumú (DSSS) 1 Mb/s esetén: különbségi bináris fázisugratás (DBPSK) 2 Mb/s esetén: különbségi kvadratúra fázisugratás (DQPSK) 802.11b: kiterjesztés 5.5 Mb/s-ra ill. 11 Mb/s-ra Complementary Code Keying (CCK), 11 Mc/s és DQPSK, 8 bit/szimbólum

IEEE 802.11b Az eredeti 1 és 2 Mb/s-os direkt szekvenciális 802.11 fizikai réteg egy lehetséges megoldás WSN-ek esetében: Egyszerű hardver. Megfelelő adatátviteli sebesség. A direkt szekvenciális kódolás mentes a frekvenciaugratásos módszerek hátrányaitól. Hátrány: A 11 Mc/s-os chip-sebesség túlságosan magas egy alacsony fogyasztású eszköznek. A 11 Mb/s-os 802.11b kiterjesztés energiafelhasználása és ára (komplexitása) messze meghaladja egy WSN korlátait!

PicoRadio PicoRadio program Uni California (Berkeley), 1999 DSSS, CSMA MAC protokol UWB (ultrawide band) Könnyen integrálható, a sávszélesség-hatékonyság nem annyira fontos. Fontos tulajdonsága: wake-up rádió sleep móddal Wake-up rádióvevő: 1μW átlagos teljesítménnyel működik A wake-up jel vételekor felébreszti a fő rádiót. A wake-up jel tartalmazza az állomás ID-jét, így csak a szükséges csomópontok ébrednek fel. Nincs szükség a node-ok közötti szigorú időszinkronra.

WINS WINS Wireless Integrated Network Sensors Project Uni California, Los Angeles és Rockwell Science Center 1998-ban piacra vitték Sensoria Corp. néven (San Diego) Szórt spektrumú, 900 MHz vagy 2.4 GHz ISM sávban CMOS technológiára épült és optimalizált az alacsony előállítási költség miatt.

μamps μamps Program Massachusetts Institute of Technology (Cambridge) Teljes WSN rendszer, hangsúly az energiatakarékosság. (LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy protokoll kifejlesztése, ld. később) Cél a sleep time maximalizálása többszintű jelzés start-up energia problémája a sleep->aktív átmenet esetén

Fizikai réteg tervezési kérdései A két legfontosabb követelmény: alacsony ár és hosszú élettartam.

Ár, mint tervezési kérdés... A fizikai réteg költsége elsősorban a hardver ára chip-ek ára + külső alkatrészek ára Cél: egyetlen chip + antenna + elemek (Az antenna és az elemek integrálása nem lehetetlen, de nehéz.) Az egyik legnehezebb feladat a referencia frekvenciához használt kvarc kristály integrálása. Lehetséges alternatíva: MEMS (mikroelektromechanikai) rezonátor Egyenlőre azonban még nem kiforrott technológia, a pontossággal és stabilitással bajok lehetnek. Következmény: Olyan fizikai réteget tervezzünk, amely nem követel meg túl szigorú előírásokat a rezonátorral szemben.

Ár: analóg kontra digitális A chip árát befolyásolja az analóg és digitális integrált alkatrészek aránya. A digitális elemek mérete a litográfiai eljárások fejlődésével csökken. Az analóg elemek mérete tipikusan nem csökken a technológia fejlődésével. (Pl. passzív komponensek paraméterei a fizikai méreteik függvénye, pl. kapacitor felület) A lehetséges két alternatíva: Analóg elemek nagy dimenziójú régi (és ezért olcsó) technológiával. Csak digitális komponensek, új technológia, így apró (és ezért olcsó) áramkörök. Hosszú távon a trend az all-digital technológiának kedvez. Az RF áramkörök energiafogyasztása is a mérettel arányos.

Ár: csatornaszűrő... Az RF adóvevők egyik legnagyobb alkatrésze a vevőoldali csatornaszűrő. Analóg esetben szükségesek nagy méretű kapacitorok. Digitális esetben az AD konverter elé szükséges egy anti-alias szűrő. A csatornaszűrő mérete fordítottan arányos a szűrő sarokfrekvenciájával (azaz egyenesen arányos az árával). Következmény: Olyan fizikai réteget tervezzünk, ahol a szükséges vevőszűrő sarokfrekvenciája maximális (azaz nagy sávszélességű).

Ár: nagy darabszám... Nagy darabszám csökkenti az egységárat. Következmény: Olyan fizikai réteget tervezzünk, amely összhangban van a lehető legtöbb ország szabályozási környezetével. Megoldás: ISM sáv használata (De melyik? 2.4 GHz, 5.8 GHz vagy 24 GHz?)

Ár: rendelkezésre álló technológiák... Magas (pl. 60 GHz) frekvenciatartományban működő áramkörök gyártástechnológiája (pl. SoC szilikon CMOS) jelenleg még drága és nem energia-optimális. Alacsony (pl. 1 GHz) frekvencián a node mérete miatti kis antenna okoz problémát. A megfelelő ISM sáv kiválasztása egy kompromisszum az ár és energiafogyasztás, valamint a méret és antenna-hatékonyság között. Jelenlegi optimum: 2.4 GHz ISM sáv

2.4 GHz ISM sáv A 2.4 GHz-es ISM sáv jelenleg egyáltalán nem üres : Pl. IEEE 802.11b (Wi-Fi) WLAN, Bluetooth WPAN A különböző technológiák más-más csatornahozzáférési stratégiát használnak -> erősen unfair lehet! A különböző szolgáltatások együttélése és kompatibilitása a fizikai réteg tervezésének kulcskérdése! Pl: szórt spektrumú megoldások a robosztusság miatt Lehetséges alternatíva: 3.1-10.6 GHz UWB (ultraszélessáv) Helymeghatározási képesség nagyon jó (néhány cm). Nagy node-sűrűség lehetséges. Egyelőre csak az USA-ban szabványos.

Energiafelhasználás (élettartam) Az energia-probléma két komponense: 1. Az energiaforrás (elem) 2. A rendszer energiafogyasztása.

Energiaforrások A szenzorok alacsony energiafogyasztása (~50 μw) lehetővé teszi újszerű energiaforrások használatát Pl: napenergia-cella, RF, mechanikus vibrációs eszközök A hagyományos szárazelemek mégis a legáltalánosabbak. Töltésmegújulás jelensége: Egy elem kapacitása sorozatos impulzusokkal kisütve jóval nagyobb, mint folyamatos állandó lemerítés esetében. WSN esetében a börsztös adatküldés mellett az alacsony átlagos energiafogyasztás kiválóan illeszthető a jelenséghez: a nagy fogyasztású komponensek (pl. rádióadó) aktiválása csak rövid időkre, megfelelően nagy időközönként.

Energiafogyasztás - példa 2db AAA elem (750 mah), 1 éves élettartam (8760 óra) I avg = 750 mah / 8760h = 86μA Átlagos felvett teljesítmény (1.8 V feszültségszabályozóval) P avg = 1.8V 86μA = 154. 8μW Tipikus 2.4 GHz CMOS adóvevő 32 mw teljesítménnyel ad és 38 mw teljesítménnyel vesz. (átlag ~35 mw) I on = 19. 5mA = 30μA I stby Ekkor az I avg = T I + (1 T ) I on on on stby összefüggésből: T on = 0.0029

Energiafogyasztás T on =0.0029 praktikusan 4 perc naponta. A kevés információközlés ellenére az aktív kommunikáció időtartama alatt nagy bitsebességet követel meg. T on tartalmazza a warm-up periódust is. Sok de rövid kommunikáció esetében a warm-up periódusokban elfolyó áram lehet a döntő! A DSSS rendszerek 250 kb/s (nyers) adatátviteli sebességgel előnyösek.